Produktionstechnologien für die Silizium- Photovoltaik

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1 Produktionstechnologien für die Silizium- Photovoltaik Forschung für neue Technologien und ihre Wechselwirkung mit der Industrie vom Mittelständler zum Global Player Lasertechnologie in der Silizium-Wafer-Photovoltaik Qualitätssicherung und -kontrolle in der Photovoltaikproduktion Vom Wissenschaftler zum Unternehmer Innovationssystem Photovoltaik in Deutschland 107

2 FVS BSW-Solar Dr. Hartmut Nussbaumer Forschung für neue Technologien und ihre Wechselwirkung mit der Industrie Forschung für neue Technologien und ihre Wechselwirkung mit der Industrie vom Mittelständler zum Global Player Dr. Hartmut Nussbaumer centrotherm centrotherm.de Dr. Daniel Biro Fraunhofer ISE ise.fraunhofer.de Helge Haverkamp Universität Konstanz uni-konstanz.de Dr. Karsten Bothe ISFH 108 Der Beitrag beschreibt die erfolgreiche Umsetzung von Forschungsergebnissen in die industrielle Anwendung auf dem Gebiet der kristallinen Silizium-Photovoltaik. Am Beispiel der Kooperationen mit den centrotherm Gesellschaften werden die wesentlichen Entwicklungsleistungen erläutert sowie deren Wechselwirkung mit der Industrie und die Art der Zusammenarbeit zwischen den Forschungs - einrichtungen. Einleitung Die Geschichte der Photovoltaik reicht zurück bis in das Jahr 1839, als A. E. Becquerel den Photoeffekt entdeckte, für dessen Erklärung Albert Einstein (1905) 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt. Erst 1954 wurde dann die erste Solarzelle auf Basis eines Silizium-Halbleiters in den Bell Laboratorien in den USA entwickelt. Durch den beginnenden Einsatz von Solarzellen in der Weltraumfahrt wurden die Entwicklungs - aktivitäten im Photovoltaiksektor stimuliert. Bereits in den 60er Jahren begannen Forschungs - einrichtungen auch in Deutschland mit der Photovoltaikforschung und -entwicklung: So begann Professor Dr. Werner H. Bloss an der Universität Stuttgart schon in den 50er- und 60er Jahren mit Grundlagenentwicklungen zur Konversion von Licht in elektrische Energie. Im Jahre 1974 starteten die Entwicklungsaktivitäten an der Universität Konstanz unter der Leitung von Prof. Dr. Ernst Bucher. Das Fraunhofer-Insti - tut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg wurde 1981 von Prof. Dr. Adolf Goetzberger gegründet. Es war das erste außeruniversitäre Solarforschungsinstitut in Europa wurde ein weiteres Institut in Deutschland gegründet das Institut für Solarenergieforschung des Landes Niedersachsen (ISFH) auf Initiative von Herrn Prof. Dr. Hellmut Glubrecht folgte die gemeinnützige Stiftung Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) mit Sitz in Stuttgart und Ulm; weitere Institutsgründungen folgten. Zunächst waren die Entwicklungen auf die Steigerung der Effizienzen der Solarzellen konzentriert. Sie wurden auf kleinen Flächen und im Labormaßstab durchgeführt. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung waren grundlegende Materialuntersuchungen, welche zum Ziel hatten, neue Ausgangsmaterialien für Solarzellen zu finden. Erst in den neunziger Jahren begann man auch verstärkt anwendungsorientiert zu forschen und es begann das industrielle Zeitalter der Photo - voltaik, welches sehr stark durch die Entwicklun - gen an den Instituten und Hochschulen geprägt wurde. Im Folgenden wird die Zusammenarbeit zwischen Forschungs einrich tungen und der Industrie am Beispiel der centrotherm Firmen - gruppe dargestellt. Der erfolgreiche Technolo - gie transfer führte zu einer rasanten Entwicklung der Firmengruppe centrotherm vom Mittel - ständler zum Global Player. Baseline Prozess kristalline Silizium Solarzelle In den 90er Jahren entwickelten die Universität Konstanz und das Fraunhofer ISE Prozesse zur Herstellung von kristallinen Silizium Solarzellen auf einer Fläche von 10 x 10 cm². Die Solar - zellen hatten zunächst Wirkungsgrade von % bei Verwendung eines multikristallinen Ausgangmaterials. Die Kontakte wurden mittels Siebdruckverfahren hergestellt. Der Rückseiten -

3 Dr. Hartmut Nussbaumer Forschung für neue Technologien und ihre Wechselwirkung mit der Industrie FVS BSW-Solar Die Entwicklung der Photovoltaik in der centrotherm Firmengruppe Die centrotherm photovoltaics AG hat sich in kurzer Zeit zu einem weltweit agierenden Technologie-Anbie - ter und Dienstleister für Hersteller von Solarzellen und Solarsilizium entwickelt. Die Geschichte reicht zurück auf die 1976 gegründete centrotherm Elektrische An - lagen GmbH + Co. KG. In den neunziger Jahren dehnte diese ihre Aktivitäten auf das Feld der Photovoltaik aus und avancierte seit dem Jahr 2000 zu einem interna tio - nal führenden Anbieter und Dienstleister für Hersteller von Solarzellen. Im Zuge der Neustrukturierung der centrotherm-gruppe wurde der Bereich Photovoltaik ab 2004 von der centrotherm Photovoltaics Solutions GmbH & Co. KG fortgeführt. Im Jahr 2006 wurde der Geschäftsbetrieb dieser Gesellschaft auf die neu gegründete centrotherm photovoltaics AG übertragen Gründung der centrotherm photovoltaics Asia Pte. Ltd. in Singapur 2006 Bündelung der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in der centrotherm photovoltaics technology GmbH Einstieg in den Geschäftsbereich Solarsilizium durch die Beteiligung an der GP Solar GmbH und an der SolMic GmbH sowie der Gründung der centrotherm SiQ GmbH als Joint Venture mit der SolMic GmbH Auslieferung der ersten schlüsselfertigen Produktionslinien für die Fertigung von Solarzellen Übernahme des Geschäftsbetriebs der centrotherm photovoltaics solutions GmbH & Co. KG durch die centrotherm photovoltaics AG 2005 Gründung der centrotherm photovoltaics AG Fortführung des Geschäftsbereichs Solarzellen durch die centrotherm photovoltaics solutions GmbH & Co. KG Engineering-Dienstleistungen im Bereich der Dünnschichttechnologie Kooperationsvertrag mit der Universität Konstanz für Forschungsprojekte Erstausstatter namhafter Solarzellen - produzenten mit Schlüsselequipment seit 2000 seit 1979 Gemeinsame Forschungsprojekte mit dem Fraunhofer ISE Einstieg in den asiatischen Markt Lieferung erster Photovoltaikprodukte durch die Centrotherm Elektrische Anlagen GmbH & Co. KG an namhafte Kunden, wie z. B. die Fraunhofer Gesellschaft (Deutschland) oder die Telefunken Systemtechnik GmbH kontakt wurde durch das Einsintern einer Siebdruckpaste bestehend aus Silber/Aluminium hergestellt. In einem ersten Entwicklungsschritt wurde die Rückseitenmetallisierung auf eine ganzflächige Aluminiumrückseite mit lokalen Silber-/Aluminium-Kontakten umgestellt, und die Einführung von Siliziumnitrid als Antireflex - beschichtung Ende der 90er Jahre brachte eine Steigerung des Wirkungsgrades insbesondere auf multikristallinem Silizium. Abbildung 1 zeigt die Wirkungsgradentwicklung des Baseline Prozesses an der Universität Konstanz, welche durch die verschiedenen technologischen Verbesserungen erzielt wurden. Wirkungsgrad (%) Einführung des Aluminium-BSFs Einführung der PECVD-SiN-Technik und des Fire- Through-Prozesses Optimierung des Fire-Through- Prozesses Etablierung des nasschemischen Texturprozesses für mc-wafer Abbildung 1 Entwicklung des erzielten Wirkungs - grades auf multi - kristall inem Silizium für den Baseline Prozess der Universität Konstanz 109

4 FVS BSW-Solar Dr. Hartmut Nussbaumer Forschung für neue Technologien und ihre Wechselwirkung mit der Industrie Abbildung 2 zeigt eine solche Solarzelle im Querschnitt. Nicht abgebildet sind die lokalen Rückseiten kontakte auf Basis von Silber/Alumi ni - um zur Kontaktierung der Rückseite bei der Ver - schaltung im Solarmodul. Mit dieser Struktur wurden Wir kungs grade von über 14 % erreicht. Der größte Anteil aller Industriesolarzellen ist bis heute auf Basis dieser Solarzellenstruktur aufgebaut. Im Jahr 2001 wurde der Baseline -Prozess im Rahmen einer Kooperation an die centrotherm Firmengruppe transferiert. Bereits im Jahr 2001 baute die centrotherm Firmengruppe für die Firma Q-Cells die erste schlüsselfertige Solar zel - lenproduktion auf, bei der ein Prozess ein ge setzt wurde, welcher auf dem Baseline -Prozess der Universität Konstanz beruhte. Dieser erfolg - reiche Technologietransfer bedeutete einen wesentlichen Meilenstein in der Geschichte des Unternehmens. Im Rahmen der fortlaufenden Kooperation wurde der Prozess kontinuierlich verbessert. Bis heute hat centrotherm photo - voltaics eine Vielzahl von schlüsselfertigen Produktionsstätten erfolgreich aufgebaut und verfügt mittlerweile über eine eigene Technolo - gie gesellschaft, die centrotherm photovoltaics technology GmbH, welche selbst die Weiterent - wicklung der Bauelemente in Abstimmung mit verschiedenen wissenschaftlichen Einrichtungen voran treibt, um die Kosten bei der Herstellung von Solarzellen zu reduzieren. Technologieplattform SOLPRO Im Jahre 1995 startete das Fraunhofer ISE zusammen mit dem Fraunhofer IPT ein Projekt mit Namen SOLPRO. Dieses Projekt hatte zum Ziel, offene Fragestellungen im Bereich der Photovoltaikindustrie zu beantworten durch die Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen, Produzenten und Anlagenbauern. Dieses zu - nächst von Fraunhofer ISE und IPT gemeinsam durchgeführte Evaluationsprojekt entwickelte sich sehr schnell zu einer breit aufgestellten Industrieplattform. Beim Folgeprojekt SOLPRO II (Start 1997) arbeiteten bereits 12 Anlagen- und Materialhersteller und fünf fördernde Energie - versorgungsunternehmen zusammen an Ferti - gungskonzepten für die Solarzellen her stellung bei einer Förderquote von ca. 50 %. Im folgen - den Projektzyklus SOLPRO III gesellten sich PV-Produzenten (Shell und Solarworld) an den runden Tisch und im Zyklus SOLPRO IV und SOLPRO V waren auch Ersol, Q-Cells und Schott als Projektpartner integriert. Diese in der Forschungslandschaft für die PV besondere Konstellation von Anlagenherstellern und Solar - zellen- bzw. Materialherstellern brachte eine Vielzahl von wichtigen Ergebnissen hervor: Ein bezüglich der Handhabungstechnik optmierter Solarzellenfertigungsprozess (1998) dessen Hauptkomponenten sich bis heute in den meisten Solarzellenher stel lungsfirmen wiederfinden. Notwendigkeit der Automatisierung der Rohrofenprozesse Notwendigkeit der Analyse der Prozesskette hinsichtlich Grenzen bei der Verwendung dünnerer Wafer grundlegende Entwicklungen von Inline- Depositionstechnologien für Siliziumnitrid (PECVD/Sputtern) Entwicklung von Alternativen zum hand - habungsintensiven Plasmakantenätzen durch schnelle Laserkantenisolation und Einseitenätzen durch Plasmatechniken oder Nasschemie. Abbildung 2 Querschnitt einer Solarzelle, wie sie standardmäßig Ende der 90er Jahre an den Instituten entwickelt wurde und bis heute in der Industrie meist verwendet wird. 110

5 Dr. Hartmut Nussbaumer Forschung für neue Technologien und ihre Wechselwirkung mit der Industrie FVS BSW-Solar In der gesamten PV-Branche wurden durch SOLPRO wesentliche Standardisierungen ver ein - bart. Die Möglichkeit der Firmen (die teilweise sogar auf ähnlichen Arbeitsfeldern tätig waren) sich auf den SOLPRO Workshops auszutauschen, unterstützte und bildete die heute sehr intensive Vernetzung in allen Bereichen der Wertschöp - fung s kette. Forschungsallianzen: FAKT und Laser-FAKT Das vom Land Baden-Württemberg geförderte Projekt FAKT (Forschungsallianz kristalline Silizium-Solarzellentechnologie) wurde 2002 ins Leben gerufen. Hierin arbeiteten das Fraunhofer ISE gemeinsam mit den Universitäten Freiburg, Konstanz und Stuttgart. Es wurden spezifische Fragestellungen zur Weiterentwicklung der Standardzelltechnologie mit dem Ziel der Wirkungsgradsteigerung und der Verwendung dünnerer Wafer in Zusammenarbeit mit einem Industriebeirat erörtert. Ein wegweisendes Ergebnis dieses erfolgreichen Projekts war die Steigerung der Solarzellenwirkungsgrade bis zu 18,1% auf monokristallinem Silizium mit LFC Rückseitenkontakten (LFC: Laser Fired Contacts) auf 160 µm dünnen Silizium-Substraten. Auf 150 µm dünnen multikristallinen Wafern konnten Wirkungsgrade von bis zu 16,0% sogar mit einer Standard Aluminiumrückseite erreicht werden. Diese fruchtbare Kooperation wird im gegen - wär tig laufenden Projekt LASER-FAKT fortge führt, wobei der Fokus des mit ca. 30 % Industrie - mitteln ausgestatten, erneut vom Land Baden- Württemberg geförderten, Projektes auf Lasertechnologien liegt. Auch das vom ISFH initiierte Projekt Laser-PV, welches seit 2006 vom Land Niedersachen gefördert wird, verknüpft die Expertisen von Forschungseinrichtungen mit dem Erfahrungshintergrund von Anlagenbauern und Solarzellenherstellern, um gemeinsam das wichtige Thema Laser in der PV-Produktions - technik voranzutreiben. Entwicklung von thermischem Prozess-Equipment In dem Verbundprojekt KoTrans mit den Fraunhofer Instituten ISE und IPT sowie der Firma ACR, in Niedereschach wurde in den centrotherm Gesellschaften, in den Jahren ein neuer Inline Diffusionsofen mit neuartigem kontaminationsarmen Wafer trans - port entwickelt. Im Gegensatz zu den bislang verfügbaren Inline-Öfen werden hier die Siliziumwafer völlig ohne metallische Kompo - nenten sehr schonend durch eine Hoch - temperatur zone transportiert in der die Wafer bei Temperaturen von ca 900 C thermisch behandelt werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass mit diesem patentierten Verfahren eine Kontamination der Wafer wie sie bei Metallkettenbandöfen beobachtet wird vollständig vermieden werden kann. Es konnten Solarzellen mit Wirkungsgraden von 15 % auf multikristallinem Silizium hergestellt werden. Gegenwärtig wird der Ofen von centrotherm photovoltaics kommerzialisiert und noch 2007 an einen Industriekunden ausgeliefert. In weiteren Entwicklungen hat das Fraunhofer ISE eine Dotierstoffquelle entwickelt und gemeinsam mit der centrotherm Firmengruppe patentiert, die nun eine kostengünstige voll stän - dig in den Solarzellenherstellungsprozess inte - grierte Inline-Diffusion erlaubt. Das Fraunhofer ISE und die Universität Konstanz erreichten mit der Diffusions- und Oxidationstechnologie der centrotherm Firmengruppe Rekordwirkungs - grade auf Basis von kristallinen Silizium. PV-TEC (Photovoltaik Technologie Evaluationscenter) Das Fraunhofer ISE hat im Oktober 2004 zu einem Workshop eingeladen, in dem die zum damaligen Zeitpunkt wichtigsten Unternehmen der deutschen PV-Branche Ideen gesammelt haben, die den Grundstein für ein produktions - orientiertes Großlabor für die PV-Forschung in Freiburg gelegt haben. Das Bundesumwelt - ministerium hat hierzu ca. 12 Mio. Euro zur Verfügung gestellt, und die Fraunhofer 111

6 FVS BSW-Solar Dr. Hartmut Nussbaumer Forschung für neue Technologien und ihre Wechselwirkung mit der Industrie Gesellschaft ca. 2 Mio Euro. für den Aufbau eines neuen Forschungszentrums am Fraunhofer ISE. Die Anlagen der centrotherm Fimengruppe kom men in diesem Zentrum im Bereich der Diffusion, Oxidation, Wafertrocknung und Fast Firing zum Einsatz und das Unternehmen hat einen ständigen Sitz im Industriebeirat von PV-TEC. Zusammenarbeit mit der Forschung In der Entwicklung der Firma hat die Zusammen arbeit mit den Forschungs ein rich - tungen eine sehr wichtige Rolle gespielt. Diese Zusammenarbeit ist derzeit wichtiger denn je, denn die Innovationszyklen werden kürzer und der Wettbewerb nimmt zu. Nur durch abgestimmte Kooperationen und ein verstärktes Engagement im Bereich der Entwicklung wird es in Zukunft gelingen, die Spitzenposition in der Produktionstechnologie von Solarzellen zu erhalten. Centrotherm photovoltaics wird die vorhandene gute Kooperation mit seinen F&E-Partnern ausbauen und intensivieren. 112

7 Dr. Nils-Peter Harder Lasertechnologie in der Silizium-Wafer-Photovoltaik Lasertechnologie in der Silizium-Wafer-Photovoltaik FVS BSW-Solar Einführung Höhere Solarzellenwirkungsgrade und geringere Herstellungskosten sind die beiden großen Leitlinien auf dem Weg zu geringeren Kosten des Solarstroms. Neben zukunftsweisenden Zellkonzepten sind dafür vor allem auch neue Bearbeitungsverfahren gefragt. Die rasante Entwicklung der Lasertechnologie lässt hierbei in den unterschiedlichsten Branchen neue Möglichkeiten entstehen und liefert entschei - den de Impulse für weitergehende Innovation. Auch in der Photovoltaik-Industrie gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, Lasertechnologie sowohl für neue Fertigungsweisen als auch für die Umsetzung neuer Solarzellenkonzepte einzusetzen, die ohne Lasertechnologie nur schwer vorstellbar wären. Eine bewährte Partnerschaft Laserbearbeitung von Solarzellen und Modulen spielt schon jetzt in der Photovoltaikproduktion eine wichtige Rolle. So hat sich in der industri - ellen Photovoltaik bereits das Schneiden von Silizium, das Beschriften und Markieren sowie die Kantenisolation mittels Laserablation 1 längst bewährt (Abb. 1a), ebenso wie die Struktu rie - rung von Dünnschichtmodulen. Für die Verschaltung bzw. Strukturierung der Schichten von Dünnschichtmodulen kann der Laserstrahl Öffnungslinien sowohl direkt von der Rückseite als auch durch das Substrat hindurch ziehen (Abb. 1b). Über diese wichtigen Teilprozessschritte hinaus hat die Lasertechnologie auch in der Vergan - gen heit schon die Rolle einer befähigenden Technologie gespielt: Das erste großindustriell umgesetzte Hocheffizienzsolarzellenkonzept, die Buried-Contact -Solarzelle [1] der UNSW, Sydney, die durch BP Solar mit der Saturn- Zelle kommerzialisiert wurde, basiert auf der Erzeugung grabenartiger Strukturen auf der Vorderseite der Solarzelle, die mittels Laser - ablation und nachfolgendem chemischem Ätzen des Siliziums hergestellt werden und in denen anschließend die vorderseitige Metalli sie - rung der Solarzelle mittels Galvanik eingebracht d. h. vergraben wird (Abb. 2): Die mit Metall gefüllten Gräben sind so schmal und tief, dass der Sammelbereich für das Licht vergrößert und der elektrische Widerstand der Leiterbahnen gering gehalten wird. a) b) Metall Silizium Substrat TCO (transparent conducting oxide) Schmelztröpfchen n + p p + Plasma Laserstrahl Dr. Nils-Peter Harder ISFH harder@isfh.de Andreas Grohe Fraunhofer ISE andreas.grohe@ ise.fraunhofer.de Dominik Huljic Q-cells AG d.huljic@q-cells.com Richard Hendel Carl Baasel Lasertechnik GmbH & Co.KG rh@baasel.de Abbildung 1 a) Kantenisolierung b) Strukturierung bei Dünnschichtmodulen Abbildung 2 Strukturierung für Buried-Contact - Solarzellen 1 Als Laserablation wird das Abtragen von Material von einer Oberfläche bei Beschuss mit gepulster Laser strahlung bezeichnet. 113

8 FVS BSW-Solar Dr. Nils-Peter Harder Lasertechnologie in der Silizium-Wafer-Photovoltaik Realisierung neuer Strukturen für Solarzellen und Module Laser-gefeuerte Kontaktherstellung Bei der Erstellung einer neuen Solarzellstruktur ist die Frage nach der Kontaktierung des Halbleitermaterials stets eine spannende Frage. Dabei gilt es abzuwägen zwischen der Kontak - tierung mit einem geringen elektrischen Wider - stand und der Minimierung der Halbleiter/ Metall-Grenzfläche, wo hohe Verluste der licht - generierten Ladungsträger entstehen. Die her - kömmliche, vollflächi ge Siebdruck-Metalli sie - rung auf der Rückseite (Abb. 3, rechts oben) schöpft wegen der großen metallisierten Fläche nicht das volle Wirkungsgradpotenzial aus. Ein geringerer Flächenanteil der Kontaktierung würde aus der Sicht des elektrischen Wider - standes schon ausreichen. Die Minimierung dieser Metall/Halbleiter- Grenz fläche kann in eleganter Weise mit dem am Fraunhofer ISE entwickelten Konzept der Laser-gefeuerten Kontakte (LFC) (Abb. 3, rechts unten) realisiert werden [2]. Dabei wird durch lokale Lasereinwirkung Metall durch eine Isolierschicht hindurch getrieben ( gefeuert ). Die zwischen den Laser-gefeuerten Kontakten stehende dielektrische Schicht kann dabei in diesen Zwischengebieten eine gute Ober - flächenpassivierung darstellen und gleich zeitig eine effektive Verspiegelung der Solar zellen - rückseite. Die Rückspiegelwirkung wirft das Licht, das im ersten Durchgang durch die Solarzelle noch nicht absorbiert wurde, wieder zurück in die Solarzelle hinein und vergrößert somit den Anteil der nutzbaren Lichtabsorption in der Solarzelle. Laser-Bohren und Flächenstrukturierung Sowohl aus ästhetischen Gründen als auch aus Gründen der verbesserten Absorption des ein - fallenden Lichtes im Silizium wäre es vorteilhaft, keine Metallkontakte auf der Vorderseite der Solarzelle anzuordnen. Für eine Optimierung der Stromsammlung in der Solarzelle ist es jedoch sinnvoll, den stromsammelnden pn-übergang bildenden Emitter auf der Vorder - seite anzuordnen. Um den vorderseitigen Emitter nun durch rückseitige Metallfinger zu kontaktieren, sind emitterartige Verbindungs - kanäle zwischen Vorderseite und Rückseite sinnvoll, die mittels feiner Löcher durch die Solarzelle realisiert werden. Für diese Anwen - dung ist das Laser-Bohren von Löchern durch Silizium-Wafer geeignet. Disc-Laser können innerhalb einer Sekunde bis zu 3000 Löcher durch Siliziumwafer bohren und bieten somit die Möglichkeit, mit hohem Durchsatz die vorteilhaften Verbindungskanäle vorzubereiten. Neben der hohen Einzelpulsenergie ist es auch die lange Pulsdauer (ca. 1 µs) der infraroten Disk-Laser-Strahlung, die es ermöglicht einen effizienten Bohrprozess zu gewährleisten. Abbildung 3 Laser-gefeuerte Kontakte [2] herkömmliche Solarzelle Solarzelle mit LFC-Rückseite 114

9 Dr. Nils-Peter Harder Lasertechnologie in der Silizium-Wafer-Photovoltaik FVS BSW-Solar Verbindungskanäle Solarzelle mit EWT-Struktur ( Emitter Wrap Through ) Emitter, der sich über Verbindungskanäle bis auf die Rückseite erstreckt Abbildung 4 Verbindungskanäle und Flächen struk - turierung bei der Herstellung von EWT- Solarzellen [3, 4, 5] Scanner Spiegel Laser SiO 2 abgetragene Fläche Nimmt man über den Prozess des Löcher - bohrens hinaus außerdem noch eine flächige Strukturierung der Solarzellenrückseite vor, so kann zusätzlich zu Löchern und Vorderseite auch ein großer Flächenanteil der Solarzellen - rückseite mit dem stromsammelnden pn-übergang belegt werden. Genaue Untersuchungen hinsichtlich der Kristall schädigung durch den Laser haben ergeben, dass für die flächige Strukturierung Laser, die grünes Licht emittieren, besonders vorteilhaft sind. Bei der flächigen Strukturierung kann ausgenutzt werden, dass der Material - abtrag durch den Laser auch auf dem Silizium befindliche Oxidschichten entfernt, die in Folgeprozessen auf den Bereichen, die nicht durch Laser bearbeitet wurden, bei der Herstel - lung des pn-überganges als Diffusionsbarriere dienen können. Die in dieser Weise hergestellte so genannte Emitter-Wrap-Through (EWT) -Struktur [3] ist beispielhaft anhand der am ISFH entwickelten Wirkungsgrad: 21,4 % Abbildung 5 Am ISFH entwickelte RISE-EWT-Solarzelle: Vorderseitenansicht, vergrößerter Ausschnitt der Rückseite und schematischer Querschnitt [4, 6] 115

10 FVS BSW-Solar Dr. Nils-Peter Harder Lasertechnologie in der Silizium-Wafer-Photovoltaik RISE-EWT Solarzelle [4, 5] in Abbildung 4 gezeigt und ermöglicht eine sehr effiziente Strom samm - lung auch im Falle von relativ geringer Silizium - qualität. Eine solche Solarzelle weist durch ihre homogene Vorderseitenansicht nicht nur ein hohes Maß an Ästhetik auf, wie in Abbildung 5 zu sehen ist, sondern erreicht bei Verwendung von hoher Siliziumqualität darüber hinaus außerdem sehr hohe Wirkungsgrade oberhalb von 21%, trotz relativ einfachen Prozessflusses [6]. Laserdotierung ben. Für einen besonders tiefen Eintrag der Dotieratome kann hierbei das Silizium mittels der Laserenergie oberflächlich aufgeschmolzen werden, wobei das flüssige Silizium beim anschließenden Erstarren die Kristallstruktur des Substrates wieder übernimmt und der Tiefe der Laserinduzierten Aufschmelzung den Dotierstoff in den Siliziumkristall einbaut [7, 8]. Durch das schreibende Verfahren der Laserbearbeitung können in dieser Weise beliebig strukturierte dotierte Bereiche in die Oberfläche des Wafers eingebracht werden, ohne dass aufwändige Maskierungen oder Ätzschritte vorgenommen werden müssen. Abbildung 6 Abtrag von Silizium - nitrid und Siliziumoxid zur lokalen Kontakt - öffnung mit Pikose kun den-laserpulsen [6, 9, 10, 11] Eine Alternative zur Erzeugung lokaler Dotie rung oder selektiver Emitter mit Hilfe von Diffusions - barrieren kann das Laserdotieren bieten. Eine Schicht, zum Beispiel ein phosphorhaltiger Flüssigkeitsfilm, wird auf dem Siliziumwafer aufgebracht und der Dotierstoff mittels des Laserenergieeintrages in das Silizium eingetrie - geöffnete, galvanisierte Kontaktlinie Solarzelle mit lokalen Emitter-Kontakten Si x N y Abtrag von Isolatorschichten auf Silizium Die Oberfläche des Siliziumwafers ist bei Hoch - effizienzsolarzellen verantwortlich für den größten Teil der Rekombinationsverluste licht - generierter Ladungsträger. Um diese Verluste zu minimieren, sind verschiedene Ober flächen - passivierungstechniken entwickelt worden. Besonders gute Passivierungseigenschaften haben oxidierte Siliziumoberflächen oder Silizium nitrid beschich tete Oberflächen. In beiden Fällen ist jedoch das Silizium unter einer isolierenden Schicht verborgen, die für die Kontaktierung der Solarzelle lokal entfernt werden muss. Während hierfür in einer Labor - anwendung die Photo litho graphie sehr leistungs fähig ist, verbietet sich ihr Einsatz jedoch aus Kostengründen in einer industriellen Produktion von einem billigen Massenprodukt wie Solarzellen. 116 SiO 2 geöffnete Kontaktpunkte In dieser Situation hat sich in jüngster Zeit die Anwendung von sogenannten Kurzpuls-Lasern als fruchtbar erwiesen, deren Pulse nur Billionstel Sekunden andauern. Wenn die Laser - leistung auf so kurze Zeiten konzentriert wird, können nichtlineare Effekte auftreten, durch die üblicherweise transparente Isolatoren zu absorbieren beginnen. Wesentlich für den gewinnbringenden, d. h. schonenden Einsatz von Kurzpulslasern bei der Entfernung von Silizium-Oxid und -Nitridschichten ist vor allem, dass während der kurzen Pulsdauer dem Substrat darunter kaum Zeit bleibt, sich zu

11 Dr. Nils-Peter Harder Lasertechnologie in der Silizium-Wafer-Photovoltaik FVS BSW-Solar Abbildung 7 Konstellation des Quebec-Projektes Q-Cells AG Schematische Darstellung der entwickelten Solarzelle, sowie Foto des Baus der Testlinie für die industrielle Umsetzung der Quebec-Zelle bei der Q-Cells AG Fraunhofer ISE ISFH erhitzen bzw. die Hitze in die Tiefe zu leiten. Die Wirkung des Energieeintrages des Lasers, der zur oberflächlichen Materialabsprengung führt, bleibt somit auf oberflächennahe Schichten beschränkt und ruft keine Tiefen schä - digung des Siliziums hervor. Dadurch ist eine besonders schonende Bearbeitung möglich, die sich für die Herstellung von lokalen Kontakt - öffnungen (Abbildung 6) für Hoch effi zienz - solarzellen eignet. Solarzellen, deren lokale Kontaktierung mittels einer solchen Kurzpuls - laser-prozessie rung hergestellt wurden, haben durch ihre hohe Effizienz von bis zu oberhalb 21% besonders deutlich illustriert, dass passivierende Isolator schichten wie Silizium - nitrid und -oxid mittels Laserablation abgetragen werden können, ohne darunter liegende Emitterschichten signifikant zu schädigen [6, 9, 10, 11]. Solarzellentwicklung auf der Grundlage von Laserprozessen Die Q-Cells AG startete früh gemeinsam mit den beiden auf dem Gebiet der Siliziumwafersolar - zellen führenden deutschen Forschungsinstitute, dem ISFH und Fraunhofer ISE, ein ambitio nier tes Zellentwicklungsprojekt, dessen tragende Säule die Laserprozessierung darstellte. In diesem Projekt Quebec, dessen Name sich herleitet von der lautmalerischen Verschmelzung des Anfangsbuchstabens der Q-Cells AG und dem Laut back wie back-contacted, wurde eine Hocheffizienzsolarzelle mit Wirkungsgraden ober halb von 20 % für die industrielle Massen - fertigung entwickelt [12]. Nach dem Projekt - erfolg baute Q-Cells AG eine Testlinie, in der die industrielle Fertigung der Quebec-Zellen ihren Anfang nehmen wird. Laserlöten auf Lamierfolien: Berührungslose Zellenverbindungstechnik Nicht nur in der Weiterentwicklung der einzelnen Zellen befähigt die Lasertechnik neue Konzepte, sondern auch bei der Verschaltung zum Modul. Abbildung 8 zeigt den Prozessablauf beim Auf-Lamitat-Laser-Löten, das am ISFH entwickelt wurde [13]. Einige aufwändige Handhabungsschritte der Solarzellenstrings des konventionellen Verfahrens können entfallen, da beim Auf-Laminat-Lötprozess die einzelnen Zellen direkt am Einbauort im Modul, d. h. auf der Laminierfolie des Moduls, verlötet werden. 117

12 FVS BSW-Solar Dr. Nils-Peter Harder Lasertechnologie in der Silizium-Wafer-Photovoltaik Abbildung 8 Laserlöten auf Laminierfolie [13], womit aufwändige und risikoreiche Handling - schritte der Solar - zellen strings vermie - den werden können. Laserstrahlung Solarzelle Verbinder Glas Laminierfolie Entscheidend für diese Zellverbindungsmethode ist eine präzise Prozesskontrolle, die den Hitze - eintrag des Lasers auf ein Minimum reduziert, so dass die hitzeempfindliche Laminierfolie nicht beschädigt wird. Ausblick: eine Solarzelle pro Sekunde In der Photovoltaik gibt es ambitionierte Ziele für zukünftige Produktionsanlagen. Mit Eine Solarzelle pro Sekunde kann die zentrale Heraus forderung bei der industriellen Umset - zung von Laserprozessen ausgedrückt werden. Daher haben jene neuen Prozesse, die nur einen kleinen Flächenanteil mit dem Laserstrahl bearbeiten, ein besonders hohes Potenzial, sich in naher Zukunft durchzusetzen. Gleichzeitig erscheinen kontinuierlich neue Strahlquellen auf dem Lasermarkt mit immer größerer Puls - geschwindigkeit (Repetitionsrate) und Leistung. Zusätzlich werden die Möglichkeiten zur Strahl - formung und Strahlführung beständig erweitert. Daher wird auch die Strukturierung großer Flächenanteile der Solarzellen für die industrielle Produktion kostengünstig umsetzbar sein. Die Lasertechnologie bietet der Photovoltaik viele Vorteile: industriell einsetzbare Alternativen zur Photolithograpie zehntausende Löcher durch Siliziumwafer in Sekunden berührungslos dünne Wafer prozessieren lokal dotieren Entwicklung neuer Zellkonzepte stimulieren Hitzeeintrag bei Lötprozessen minimieren Die hier dargestellten Erfolge wurden durch die Forschungsförderung der öffentlichen Hand ermöglicht. 118

13 Dr. Nils-Peter Harder Lasertechnologie in der Silizium-Wafer-Photovoltaik FVS BSW-Solar Literatur [10] P. Engelhart, S. Hermann, T. Neubert, H. Plagwitz, R. Grischke, R. Meyer and R. [1] M.A. Green, A.W. Blakers, S.R. Wenham, Brendel. S. Narayanan, M.R. Willison, M. Taouk, Progress in Photovoltaics: Research and T. Szpitalak, Proceedings of the 18 th IEEE Applications 15 (2007) 521, PV Specialists Conference (1989) 39. [11] A. Knorz, A. Grohe, C. Harmel, R. Preu, J. [2] E. Schneiderlöchner, R. Reu, R.Lüdemann, Luther. S.W. Glunz, and G. Willeke. Proceedings of the 21st EC-PVSEC, Milano Proceedings of the 17th EC-PVSEC, (2007) Munich (2001) [12] D. Huljic et al., präsentiert auf der 21st EC- [3] J.M. Gee, W.K. Schubert, P.A. Basore. PVSEC, Milano, 2007 Proceedings of the 23rd IEEE PV Specialists Conference, Louisville (1993) 265. [13] M. Gast, M. Köntges, R. Brendel Lead- Free On-Laminat-Laser-Soldering: A new [4] P. Engelhart, A. Teppe, A. Merkle, R. module assembling concept, Progress in Grischke, R. Meyer, N.-P. Harder, and R. Photovoltaics: Research and Application. Brendel. (in press) Technical Digest of the PVSEC-15, Shanghai (2005) 802. [5] P. Engelhart, N.-P. Harder, R. Grischke, A. Merkle, R. Meyer, and R. Brendel. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 15 (2007), 237. [6] S. Hermann, P. Engelhart, N.-P. Harder, B. Fischer, R. Meyer, and R. Brendel. Proceedings of the 22 nd EC-PVSEC, Milano (2007) 970. [7] J. R. Köhler, M. Ametowobla, and A. Esturo-Breton Proceedings of the 20 th EC-PVSEC, Dresden (2006) 851. [8] A. Grohe, T. Wütherich, A.Knorz, J. Nekarda, N. Mingirulli, C. Harmel, R. Preu, S. Glunz. Proceedings of the EC-PVSEC, Milano (2007) [9] P. Engelhart, N.-P. Harder, T. Horstmann, R. Grischke, R. Meyer, and R. Brendel. Proceedings of the WCPEC-4, Hawaii (2006)

14 FVS BSW-Solar Dr. Stefan Rein Qualitätssicherung und -kontrolle in der Photovoltaikproduktion Qualitätssicherung und -kontrolle in der Photovoltaikproduktion Dr. Stefan Rein Fraunhofer ISE ise.fraunhofer.de Dr. Karsten Bothe ISFH Bernd Sattler Manz Automation AG Einführung Angesichts jährlicher Wachstumsraten von durch schnittlich 44% von 1999 bis 2006 und von beeindruckenden 69% in 2007 ist die welt - weite Produktionskapazität der Photovoltaik - industrie in nur neun Jahren von 202 MW (1999) auf 4.28 GW (2007) angewachsen und hat sich damit mehr als verzwanzigfacht [1]. Obwohl dieses rasante Wachstum zu einer Verknappung von Silizium auf dem Weltmarkt geführt hat, hat die kristalline Siliziumtechnologie ihren Markt - an teil in den vergangenen Jahren behaupten kön nen und ist mit einem Marktanteil von zu letzt 89,6% (2007) weiterhin marktbeherr schend [1]. Trotz des mit der Materialverknappung einhergehenden Preisanstiegs für Siliziumwafer hat der zunehmende Wettbewerb für eine kontinuierliche Abnahme des Markpreises für Solarzellen gesorgt. Aus diesem Grund hat sich die Reduktion der Herstellungskosten in den vergangenen Jahren zur treibenden Kraft des Photovoltaikmarktes entwickelt. Die Hauptan - sat zpunkte für eine Kostenreduktion sind: 1. Steigerung der Produktionseffizienz, indem der Automatisierungsgrad, der Durchsatz und die Ausbeute der Produktionslinien gesteigert werden. 2. Steigerung des Zellwirkungsgrades, indem neue Prozesstechnologien und Solarzellen - konzepte eingeführt werden mit einem Wirkungsgradpotenzial von über 16% auf multi kristallinem Silizium und über 17% auf mono kristal linem Silizium 3. Reduktion des Verbrauchsmaterials, indem die Zelldicke und der Ausschuss in der Produktionslinie reduziert werden. 4. Einsatz von kostengünstigerem Silizium mit geringerer Reinheit Um das Verbesserungspotenzial in diesen Teil - bereichen ausschöpfen zu können, ist eine detaillierte Prozesskontrolle zwingend erforder - lich. Die wesentlichen Randbedingungen der Qualitätssicherung werden durch eine genauere Betrachtung der einzelnen Strategien deutlich. Der Einsatz von kostengünstigerem Ausgangs - material macht neben einer kontinuierlichen Prozesskontrolle auch eine kontinuierliche Kontrolle der Qualität des Ausgangsmaterials erforderlich, um schwankende Material eigen - schaften bereits vor Beginn des Zellprozesses zu detektieren und das Material so einem an die Materialqualität angepassten Prozess zuführen zu können. Der Einsatz höhereffizienter Zell - prozesse seinerseits erhöht die Anforderungen an die Empfindlichkeit der eingesetzten Charakterisierungstechniken. Berücksichtigt man zudem, dass moderne Fertigungslinien heute schon voll automatisiert sind und einzelne Maschinen bereits einen Durchsatz von Wafern/Stunde erreichen, so wird klar, dass eine effiziente Qualitätskontrolle nur mit schneller Inline-Messtechnik möglich ist, die in Automatisierungssysteme integriert werde kann. Die Tatsache, dass in einer Fertigungslinie mit einer üblichen Produktionskapazität von MW p /Jahr ca Mio. Solarzellen pro Jahr bzw Solarzellen pro Tag gefer tigt werden, unterstreicht schließlich die Notwen digkeit, für die Qualitätskontrolle leistungsfähige Systeme der statistischen Datenauswertung einzusetzen. In diesem Beitrag werden zunächst die Teil - schrit te der Qualitätssicherung und die grund - legenden Anforderungen an die Inline-Mess - tech nik erläu tert. Anschließend wird anhand einiger Beispiele ein Einblick in die gegenwärtig verfüg baren Inline-Messmethoden und deren Einsatz gebiet gegeben, um abschlie ßend neue Ansätze für die Inline-Qualitätssicherung aufzuzeigen. 120

15 Dr. Stefan Rein Qualitätssicherung und -kontrolle in der Photovoltaikproduktion FVS BSW-Solar Teilschritte der Qualitätssicherung Die Qualitätssicherung umfasst im Allgemeinen drei Teilschritte: die Messung der relevanten Kontrollgrößen die zentrale Erfassung, Ver arbeitung und Bewertung der Messdaten die Durchführung der Qualitätssicherungs - maßnahmen bei kritischen Abweichungen. Die Kontrollgrößen lassen sich in zwei Klassen unterteilen: die Prozesskenngrößen und die Qua litätskenngrößen. Während die Prozess kenngrößen wie z. B. Temperatur, Druck und Gas - fluss an der Prozess an lage gemessen werden und der Überwa chung der Prozess be din gungen dienen, werden die Qualitätskenngrößen wie z. B. Ätzabtrag, Schichtwiderstand, Schicht dicke an den teilprozessierten Wafern gemes sen und dienen der Kontrolle des Prozessergebnisses. Zur Bestimmung der Kontrollgrößen wird verstärkt Inline-Messtechnik eingesetzt, da so eine 100%-Kontrolle der Produkte möglich ist. Ergänzend werden Stichproben aber auch mittels aufwändigerer Offline-Messtechnik unter sucht, insbesondere um die Ursachen für auftretende technologische Probleme schneller identifizieren zu können. Hinsichtlich der Bewertung der Inline-Messda ten und der daraus abgeleiteten Qualitätssiche rungsmaßnahmen lassen sich drei Einsatz berei che der Inline-Messtechnik unterscheiden: 1. Klassifikation und Sortierung Anhand eines definierten Klassierschemas wird die gemessene Material- oder Produktqualität zunächst kategorisiert, um das Material an - schlie ßend in unterschiedliche Qualitätsklassen, sog. BIN-Klassen, zu sortieren. Diese Funktion kommt der Qualitätssicherung v. a. im Rahmen der Eingangs- und Ausgangskontrolle zu. 2. Qualitätskontrolle Die gemessene Material- oder Produktqualität wird anhand von prozessspezifisch definierten Gut/Schlecht-Kriterien bewertet, um Schlecht - teile oder Ausschuss zu identifizieren und in einem frühen Prozessstadium auszusortieren. 3. Prozesskontrolle Für die überwachten Prozess- oder Qualitäts - kenngrößen werden Toleranzgrenzen definiert, bei deren Über- oder Unterschreitung von der Prozessanlage eine Warnung oder ein Alarm ausgegeben wird (Statistical Process Control, SPC). Die erforderliche Nachführung der Prozesse erfolgt in der PV-Industrie gegenwärtig noch manuell, könnte in Zukunft aber auch automatisch über Steuerungsalgorithmen erfolgen (Advanced Process Control, APC). Grundlegende Anforderungen an Inline-Messsysteme Für den Inline-Einsatz muss ein Messsystem einige grundlegende Anforderungen erfüllen: Zykluszeit <1 sec, um die Durchsatz anfor de - rungen zu erfüllen berührungsloses Verfahren, um mechani - schen Stress auf den Wafer zu vermeiden robuste Kalibrierung, um eine hohe Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten wartungsfreundliches Verfahren, um die Unterhaltskosten gering zu halten keine spezielle Probenpräparation Ortsauflösung, sofern Mess größen laterale Inhomogenitäten aufweisen können. Im Hinblick auf die automatische Messdaten - bewertung muss es möglich sein, geeignete Kriterien zur Unterscheidung von Gut- und Schlechtteilen zu definieren. Diese Kriterien müssen so beschaffen sein, dass Schlechtteile sicher identifiziert werden, ohne dass es zu einer ungewollten Aussonderung von Gutteilen kommt. Insbesondere bei kamerabasierten Messverfah ren ist eine leistungsfähige Bildverarbeitung erfor - derlich, die anhand geeigneter Algorith men eine vollautomatische Bildauswertung zulässt. Für eine vollautomatische Bildbewertung sind zudem geeignete Klassierschemata erforderlich. 121

16 FVS BSW-Solar Dr. Stefan Rein Qualitätssicherung und -kontrolle in der Photovoltaikproduktion Abbildung 1 Optische Inline-Prü fung mit IR-Durchlicht zur Detektion von Mikro - rissen, Einschlüssen, Sägeriefen und Säge - stufen (Eingangs kon - trolle). Sägestufe Sägeriefen Einschlüsse Mikroriss aus Zentrum Abbildung 2 Optische Inline-Textur - prüfung zur Bestim - mung des Reflexions - grades und der Homogenität einer so genannten sauren Textur: (links) schlechte Textur mit R min =28,8 %, (rechts) gute Textur mit R min =24,5 %. 122 Eingesetzte Methoden der Inline-Qualitätskontrolle Im Folgenden soll an einigen Beispielen erläutert werden, welche Qualitätskenngrößen in den un terschiedlichen Prozessschritten eines Stan - dard-siebdruck-solarzellenprozesses gemessen werden und welche Methoden der Inline- Qualitätskontrolle hierbei zum Einsatz kommen. Einer der wichtigsten Schritte der Qualitäts kon - trolle ist die Wafer-Eingangskontrolle, die eine Reihe von optischen und elektrischen Prüfungen umfasst. Im Rahmen der optischen Prüfungen wird die Geometrie des Wafers vermessen und der Wafer auf Kantenausbrüche, Oberflächen - ausbrüche und Oberflächenverunreinigungen untersucht. Am wichtigsten ist jedoch die Überprüfung auf Mikrorisse, da Mikrorisse ab einer bestimmten Größe im Herstellungsprozess zu Bruch führen und somit gegebenenfalls zum Still stand der Produktionslinie. Für die Mikroriss - prüfung wird der Wafer mit UV-Licht [2] oder IR- Licht (siehe Abb. 1) hoher Intensität durchleuch - tet und das Transmissionsbild aufgenommen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, können bei der Verwen dung von IR-Licht, neben durchgehen - den und nicht-durch gehenden Mikrorissen auch Säge rie fen und Sägestufen sowie Einschlüsse im Volumen (z. B. in Form von Siliziumcarbid Ausschei dun gen) detektiert werden. Im Rahmen der elektrischen Prüfungen werden die Waferdicke (kapazitive Messung) und der Basiswiderstand des Wafers (induktive Messung) vermessen. Da beide Messungen an der beweg - ten Probe erfolgen, liefern die Messsysteme in Transportrichtung ein ortsaufgelöstes Profil der Kenngröße, aus dem sich neben dem Absolut - niveau auch die Homogenität der Kenngröße ermittelt lässt. Für den Basiswiderstand sind charakteristische Profile in Abbildung 3 darge - stellt (offene Symbole). Darüber hinaus kann durch Messung der Ladungsträgerlebensdauer die elektrische Materialqualität ermittelt werden. Diese Messung kann inline entweder mittels der Microwave-detected Photoconductance Decay (MWPCD) Methode oder aber mittels der von Sinton et al. entwickelten Quasi-Steady-State Photoconductance (QSSPC) Methode durch - geführt werden.

17 Dr. Stefan Rein Qualitätssicherung und -kontrolle in der Photovoltaikproduktion FVS BSW-Solar Ziel der Eingangskontrolle ist es, die mechanisch oder elektrisch defekten Wafer von vorneherein auszusortieren und einem Recyc ling prozess zuzuführen, um Bruch in der Produktionslinie zu vermeiden und die Ausbeute zu steigern. Außerdem besteht die Möglichkeit, Wafer unterschiedlicher Dicke und Materialqualität in unterschiedliche Klassen zu sortieren, um sie nachfolgend einer angepassten Prozessierung zuzuführen. Bei der Mikrorissprüfung und der Lebensdauermessung besteht die Herausfor de - rung allerdings darin, geeignete Bewertungs - kriterien zu definieren, mit denen nur das wirklich schadhafte Material ausgesondert wird. Im ersten Prozessschritt, der Oberflächen reini - gung und -texturierung, sind die relevanten Qualitätskenngrößen der Ätzabtrag, der inline mittels Mikrowaagen gemessen wird, sowie der Reflexionsgrad und die Homogenität der Textur, die sich inline mit einem optischen Prüfsystem bestimmen lassen, das auf Reflexionswerte kalibriert wurde. Aufnahmen einer guten und einer schlechten Textur sind in Abbildung 2 exem plarisch dargestellt. Die relevanten Qualitätskenngrößen des zweiten Prozessschrittes, der Emitterdiffusion, sind das Absolutniveau und die Homogenität des Emitterschichtwiderstandes. Inline lassen sich diese beiden Parameter entweder mit Hilfe der Vier-Spitzen-Methode oder der Surface Photovoltage (SPV) Methode [3] bestimmen oder aber induktiv [4]. Da es sich bei dem induktiven Wirbelstromverfahren um eine integrale Messung über die gesamte Proben - dicke handelt, erfordert die Bestimmung des Emitterschichtwiderstands ein zweistufiges Verfahren mit je einer Messung vor und nach der Emitterdiffusion, die dann miteinander verrechnet werden. Durch Messung an der bewegten Probe erhält man die in Abbildung 3 dargestellten Profile des Emitterschicht wider - standes (geschlossene Symbole), die außer dem Absolutniveau auch Aufschluss über die laterale Homogenität des Diffusionsprozesses geben. Aktuelle Untersuchungen haben gezeigt [4], dass das induktive Messverfahren insbesondere auf strukturierten Oberflächen zuverlässigere Messergebnisse liefert als das 4-Spitzenver fah - ren, das in der Industrie gegenwärtig häufig eingesetzt wird. Schichtwiderstand (Sq) Basis Spur 1 Spur 2 75 Spur 3 Emitter Waferposition (mm) Randinhomogenität Abplatzungen Ablaufspuren Fingerverdickung Unbeschichtete Fläche Fingerunterbrechung Pastenfleck BB-Löcher Abbildung 3 Charakteristische Pro file des Basiswider - standes- (offene Sym - bole) und des Emitter - schicht widerstands (geschlossene Symbole) eines Wafers, gemessen mit dem induktiven Mess system entlang von drei Messspuren. Abbildung 4 Optische Inline-Farb- Prüfung zur Bestim - mung der absoluten Schichtdicke und ihrer Homogenität und zur Detektion unter schied - licher Oberflächen - defekte. Abbildung 5 Optische Inline-Prü fung des VS-Druck bildes zur Bestimmung der Voll - ständigkeit, Position und Finger- bzw. Busbar breiten und zur Detektion verschiede - ner Defekte (Beispiele). 123

18 FVS BSW-Solar Dr. Stefan Rein Qualitätssicherung und -kontrolle in der Photovoltaikproduktion Abbildung 6 Inline-Messung der Strom-Spannungs- Kennlinie im Hell- und Dunkelfeld zur Bestimmung der elektrischen Leistungs - klasse (Ausgangs kon - trolle). Hier: Verteilung für 770 mc-si Industrie solarzellen. Abbildung 7 Offline-Messungen mittels Hellthermo gra - phie (ILIT) zur Bestim - mung der lokalen Verlustleistungen und zur Detektion der technologischen Ursachen für einen reduzierten Parallel - widerstand: (links) punktförmiger Shunt am Busbar (rechts) unterschied - liche Shunts entlang des Lasergrabens der Laserkantenisolation 124 Anzahl Wirkungsgrad (%) Die relevanten Qualitätskenngrößen der Anti re - flexbeschichtung sind die Absolutdicke und die Homogenität der Antireflexschicht. Da die Fär - bung der Schicht unmittelbar von der Schicht - dicke abhängt, kann durch Auswertung eines Farbbildes die Schichtdicke ortsaufgelöst ermit - telt werden. Zur Kalibrierung des einge setz ten Kamerasystemes müssen die prozess spe zifischen Farbklassen mittels eines Referenz pro bensatzes verglichen werden. Wie in Abbil dung 4 darge - stellt, ermöglicht das Verfahren auch eine Oberflächeninspektion, bei der unbeschichtete Flächen, Bereiche mit abge platzter Antireflex - schicht (Blistering) und Verfär bungen durch Ab - laufspuren oder Oberflächen verunreini gun gen detektiert werden können. Die Metallisierung wird nach jedem Druckschritt mittels optischer Prüfsysteme inspiziert. Hierbei werden u. a. die Druckposition und die Finger - breiten vermessen und das Druckbild auf Voll - ständigkeit, Fingerunterbrechungen und Pasten - flecken untersucht. Die Fehlerdetektion beruht dabei auf dem Vergleich des gemessenen mit einem zuvor eingelernten idealen Druckbild. Einige typische Defekte des Vorderseitendrucks sind in Abbildung 5 dargestellt. Die beiden folgenden Prozessschritte sind der Feuerprozess zur Kontaktbildung und der Laser - kantenisolationsprozess zur Beseitigung des diffusionsbedingten Kurzschlusses über die Waferkanten. Die einzigen Qualitätskenngrößen dieser beiden Prozessschritte, die gegenwärtige inline gemessen werden können, sind der Serien- und der Parallelwiderstand der Probe, die im Rahmen der Ausgangskontrolle bei der Strom-Spannungs-Kennlinienmessung bestimmt werden. Diese Ausgangskontrolle ist der wohl wichtigste Schritt der Qualitätskontrolle, da hier die ferti - gen Solarzellen vollständig elektrisch vermessen und optisch inspiziert werden. Im Rahmen der optischen Inspektion wird die Solarzelle umfas - send auf Kantenausbrüche und Fehler im Druck - bild auf der Vorder- und Rückseite untersucht. Zudem wird anhand der Farbe der Zelle die Dicke und die Homo geni tät der Antireflex schicht gemessen und die Oberfläche auf Oberflächen - defekte wie z. B. Blistering und Kratzer unter - sucht. Eingesetzt werden dabei die gleichen Bildverarbeitungs systeme, mit denen die jeweiligen Merkmale bereits in einem früheren Prozessstadium inspiziert wurden. Herzstück der Ausgangs kon trolle ist jedoch die Strom-Span - nungs-kennlinienmessung im Hell- und Dunkel - feld, bei der die effektiven Leistungsdaten der gute Kantenisolation schlechte Kantenisolation

19 Dr. Stefan Rein Qualitätssicherung und -kontrolle in der Photovoltaikproduktion FVS BSW-Solar Abbildung 8 Offline-Messung mittels Elektro lumi nes - zenz zur Bestimmung der lokalen Serien - wider standsverteilung: (links) Verteilung der Lumineszenzintensität, (rechts) Verteilung der absolute Serien wider - stände Solarzelle ermittelt werden, anhand derer die Qualität des Gesamtprozesses bewertet werden kann. Abbildung 6 zeigt exempla risch eine Statistik des Wirkungsgrades für eine Charge aus 770 multikristalline Silizium-Solarzellen aus einer industriellen Fertigung: Mittelwert und Vertei - lungs breite geben Aufschluss über die Qualität und die Stabilität des Gesamtprozesses. Basierend auf den Strom-Spannungs-Messdaten wird anhand eines Klassierschemas für jede Solarzelle eine elektrische Klasse bestimmt. Eine genaue Sortie rung der Solarzellen gemäß dieser elektrischen Leistungsklassen ist erforderlich, um bei der Serienverschaltung der Solarzellen im Modul maximale Modulleistungen erzielen zu können. Da in vielen Anwendungen auch die optische Erscheinung der Module ein wichtiges Kriterium darstellt, werden die Solarzellen zusätzlich nach Farbe sortiert. Bei einer Sortierung in drei Farb klassen verdreifacht sich somit die Anzahl an benötigten Sortierklassen. In gängigen Klassier automaten ist eine Sortierung in über 50 Klas sen möglich. Über den gesamten Solarzellenprozess werden in den neuesten Qualitätssicherungssystemen insgesamt an die 100 Kenngrößen gemessen und in einem System zur statistischen Prozess - kontrolle (SPC) verarbeitet. Die Verknüpfung der in unterschiedlichen Prozessstadien gewon ne nen Messdaten erfolgt bisher in der Regel rein los - spezifisch und nicht waferspezifisch, da ein Einzelwaferverfolgung durch den gesamten Produktionsprozess mangels geeigneter Metho - den der Waferidentifikation bisher schwer zu realisieren ist. Neue Ansätze für die Inline- Qualitätskontrolle Ein wesentlicher Trend der letzten Jahre ist die Entwicklung von kamerabasierten Charakteri sie - rungs techniken, mit denen sich elektrische und materialspezifische Eigenschaften ortsaufgelöst innerhalb kurzer Messzeiten bestimmen lassen. Treibende Kraft hierbei ist die Tatsache, dass erst diese ortsaufgelösten Messungen Aufschluss über die technologischen Ursachen für eine redu zier te Leistungsfähigkeit der Solarzellen geben. Im Zentrum der untersuchten kamerabasierten Mess verfahren stehen die Lock-In Thermo gra - phie (LIT) [5,6,7] sowie das Photolumineszenz- Imaging (PL) und das Elektrolumineszenz- Imaging (EL) [8,9,10]. Mit Hilfe der Thermographie-Methode lässt sich die lokale Verlustleistung in Solarzellen bestim - men. Hierzu werden lokale Erwärmungen, die nach einer Anregung von Ladungsträgern in der Solarzelle auftreten, mit einer Infrarot-Kamera de tektiert. Ursachen für solche lokalen Erwär - mun gen sind z. B. laterale Variationen im Serien - widerstand, eine erhöhte Dissipation 1 elektri scher Energie an Shunts oder eine erhöhte Ladungs - träger rekombination. Abbildung 7 zeigt in der rechten Hälfte die Hellthermographiebilder zweier Zellen mit guter (oben) und schlechter (unten) Kantenisolation. Wie zu erwarten, leuchtet der Rand bei schlech ter Kantenisolation kräftig aufgrund der 1 Dissipation ist die Umwandlung in thermische Energie, die nicht oder nur begrenzt verhindert werden kann. 125

20 FVS BSW-Solar Dr. Stefan Rein Qualitätssicherung und -kontrolle in der Photovoltaikproduktion 126 fließen den Shuntströme [11]. Im Falle einer lo kal kurz geschlossenen Zelle, deren Hell ther mo gra - phie bild in der linken Hälfte von Abbildung 7 dargestellt ist, leuchtet dagegen nur der Punkt - shunt selbst. Zudem erscheint das Bild in einem großen Bereich um den Punktshunt dunkler, da die Ladungsträger aus diesem Bereich effektiv in den Shunt abgesaugt werden [11]. Bei den Lumineszenz-Methoden wird die Inten - si tätsverteilung der strahlenden Rekombination detektiert, was üblicherweise mit einer Silizium CCD-Kamera erfolgt. Da die Intensität der strahlenden Rekombination direkt proportional zum Produkt der Elektronen- und Löcherdichte ist, sind im Lumineszenzbild generell alle Effekte sichtbar, die zu einer lokalen Reduzierung der Ladungsträgerkonzentration führen. Dies sind z. B. lokale Schwankungen in der Ladungsträ - ger lebensdauer, Shunts, Serienwiderstände und Mikrorisse. Das Lumineszenzsignal einer Solarzelle ist im linken Teil von Abbildung 8 dargestellt. Die scharf umrandeten dunklen Bereiche an beiden Rändern der Solarzelle sind auf Fingerunter bre - chungen zurückzuführen. Die dunklen Bereiche in der Mitte der Solarzelle deuten dagegen auf einen erhöhten Serienwiderstand hin, wie er bei einer Unterfeuerung der Kontakte auftritt. Kürzlich konnte gezeigt werden [12], dass aus einer Serie von Lumineszenzbildern, die bei un - terschiedlichen Anregungsspannungen auf ge - nommen werden, die lokale Serienwider stands - verteilung einer Solarzelle quantitativ bestimmt werden kann. Diese Serienwiderstands verteilung ist im rechten Teil von Abbildung 8 dargestellt. Die Tatsache, dass die Bereiche hohen Serien - widerstandes mit den Bereichen niedriger Lumi - nes zenzintensität zusammenfallen, bestätigt die qualitative Interpretation des einfachen Lumineszenzbildes. Da die Messzeiten der Thermographie- und Lumineszenz-Methoden bereits im Sekunden - bereich liegen, haben beide Methoden das Potenzial, mittelfristig als Inline-Methoden im Prozessmonitoring oder in der Ausgangs kon trol - le eingesetzt zu werden. Die Herausfor derun - gen, um dieses Ziel zu erreichen, bestehen in einer Quantifizierung der lokal auftretenden Verluste und in der Entwicklung von Verfahren für eine automatisierte Bildbeurteilung. Nur auf dieser Basis können Bewertungskriterien defi niert werden, die eine sichere Identifikation von Schlechtteilen zulassen. All diese Frage stel lun - gen sind Gegenstand aktueller Forschung. Zusammenfassung Angesichts der rasant wachsenden Produktions - kapazitäten und der immer effizienter werden - den Zellkonzepte und -prozesse gewinnt die Qualitätssicherung in der Solarzellenfertigung zunehmend an Bedeutung. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades und des steigen - den Durchsatzes der Fertigungslinien erfordert eine effiziente Qualitätskontrolle schnelle Inline- Messtechnik und leistungsfähige Systeme der statistischen Datenauswertung. Die wichtigsten Schritte der Qualitätskontrolle sind die Eingangs- und die Ausgangskontrolle, bei der Qualität der angelieferten Rohwafer bzw. der gefertigten Solarzellen detailliert inspiziert wird. In vielen Prozessschritten sind bereits Inline-Messmethoden verfügbar, mit denen sich die relevanten Qualitätskenngrößen bestimmen lassen. Allerdings existieren für manche Metho den, wie z. B. die Mikroriss kon - trolle, noch keine zuverlässigen Gut/Schlecht- Kriterien für die Bewertung der Messdaten. Um die elektrischen und materialspezifischen Eigen - schaften der Wafer und Solarzellen in Zukunft ortsaufgelöst inline messen zu können, wird intensiv an kamerabasierten Thermographieund Lumines zenzmessmethoden geforscht. Messzeiten im Sekundenbereich sind dabei vielversprechend. Die Hauptaufgaben der Forschung bestehen einerseits in der konsequenten Weiterent wick - lung existierender PV-spezifischer Offline-Mess - techniken für den Inline-Einsatz und andererseits in der Qualifizierung neuer Inline-Messtechniken aus anderen Branchen für den Einsatz in der Solarzellenfertigung.

21 Dr. Stefan Rein Qualitätssicherung und -kontrolle in der Photovoltaikproduktion FVS BSW-Solar Literatur [1] W.P. Hirshman, G. Hering, M. Schmela, Photon International 03/2008, Solar Verlag GmbH, Aachen, S. 140 [2] E. Rühland, S. Recht, S. Wansleben, H. Feist, P. Fath, Proc. 19th EU-PVSEC, Paris (2004), S. 810 [3] E. Rühland et al., Proc. 3 rd WCPEC, Osaka (2003), p [4] M. Spitz, U. Belledin, S. Rein, Proc. 22nd EU-PVSEC, Milan (2007), p.??? [5] O. Breitenstein, J. Isenberg, C. Ballif, S.W. Glunz and W. Warta, Proc. 2nd WCPEC, Vienna (1998), S [6] M. Bail, R. Brendel, and M. Schulz, Proc. 28 th IEEE PVSC, New York (2000), S. 99 [7] J. Isenberg and W. Warta, Prog. Photovolt: Res. Appl. 12 (2004), S. 339 [8] T. Fuyuki, H. Kondo, T. Yamazaki, Y. Takahashi, and Y. Uraoka, Applied Physics Letters 86 (2005), S [9] K. Bothe, P. Pohl, J. Schmidt, T. Weber, P.P. Altermatt, B. Fischer, and R. Brendel, Proc. 21 st EU-PVSEC, Dresden (2006), S. 597 [10] T. Trupke, R.A. Bardos, M.C. Schubert, and W. Warta, Applied Physics Letters 89 (2006), S [11] W. Kwapil, M. Kasemann, J. Ebser, S. Rein, W. Warta, Proc. 22nd EU-PVSEC, Milan (2007), S [12] D. Hinken, K. Bothe, K. Ramspeck, B. Fischer, R. Brendel, Applied Physics Letters 18 (2007), S

22 FVS BSW-Solar Vom Wissenschaftler zum Unternehmer Dr. Silvia Roth Vom Wissenschaftler zum Unternehmer Dr. Silvia Roth Roth & Rau AG Abbildung 1 Die Standard -SiNA Die Plasmatechnologie als modernes Verfahren für die Beschichtung, Strukturierung und Modifizierung von Oberflächen wird heute in nahezu allen industriellen Branchen eingesetzt. Auch Solarzellen in ihrer heutigen Form wären ohne Plasmatechnologie nicht herstellbar. Die Firma Roth & Rau entwickelt und fertigt Prozess systeme für plasmagestützte Verfahren der Dünnschicht- und Oberflächentechnik für Produktion und Forschung in verschiedenen Branchen, vorwiegend jedoch für die Photovoltaik. Roth & Roth wurde 1990 als Garagenfirma von drei ehemaligen Mitarbeitern des Fach - bereiches Physik der TU Chemnitz gegründet. Ziel war es, das vorhandene Know-how im Bereich der Plasmatechnologie zu vermarkten. In den ersten Jahren spezialisierte sich Roth & Rau auf die Entwicklung und Fertigung kundenspezifischer Plasmaprozessanlagen. Kunden waren vor allem Universitäten und Institute. Heute beschäftigt Roth & Rau rund 190 Mitarbeiter und ca. 100 Zeitarbeitskräfte ist Roth & Rau erfolgreich an die Börse gegangen und wird in diesem Jahr einen Umsatz von ca. 135 Mio. erreichen, wobei über 90 % des Umsatzes in der Photovoltaik- Industrie generiert wird. Gegen Ende der 90er Jahre hatte Roth & Rau erste Kontakte zur Photovoltaik-Industrie. Zu dieser Zeit begann man mit der Einführung eines Plasmaprozesses (PECVD) für die Anti - reflexbeschichtung von kristallinen Silizium- Solarzellen mit amorphen, wasserstoffreichen Siliziumnitridschichten in die Produktion. Durch Oberflächen- und Volumenpassivierung des Siliziumwafers mittels des in der SiN-Schicht enthaltenen Wasserstoffs konnte damit vor allem auf multikristallinen Si-Wafern eine signifikante Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht werden. Neben der Optimierung der Beschichtungstechnologie selbst bestand die Aufgabe in der Entwicklung massenproduktions - tauglicher Beschichtungsanlagen. Roth & Rau installierte 1999 am niederländischen Energie - forschungszentrum ECN und 2000 am ISFH Prototypen eines In-line PECVD-Systems, mit denen die Voraussetzungen für die Entwicklung der heutigen Anlagenserie SiNA geschaffen wurden, die maßgeblich die weitere Entwick - lung von Roth & Rau bestimmt hat. In den Folgejahren erfolgte die Weiterentwicklung der Anlagen vor allem hinsichtlich höherer Durch - sätze, der Optimierung des Wirkungsgrades und der Senkung der Betriebskosten. Mittlerweile umfasst die SiNA -Serie sechs Modelle, deren Durchsätze alle Kapazitätsanforderungen von der Pilotproduktion bis zur vollautomatischen Massenproduktion abdecken. 128 In den letzten Jahren erlebte die Photovoltaik weltweit eine starke Wachstumsphase. Roth & Rau konnte sich im PV-Markt im Bereich der Antireflex-Beschichtungsanlagen etablieren und

23 Dr. Silvia Roth Vom Wissenschaftler zum Unternehmer FVS BSW-Solar ist heute Marktführer auf diesem Gebiet. Neben dem Ausbau der Produktionskapazität und der Verstärkung der Marktpräsenz weltweit bilden Forschung und Entwicklung hinsichtlich neuer Produkte und Technologien für die Photovoltaik einen Schwerpunkt in der Wachstumsstrategie von Roth & Rau. Die enge Kooperation mit Forschungseinrichtungen und Kunden ist dafür eine wichtige Voraussetzung. Bereits seit Ende der 90er Jahre bestehen enge Kooperations - beziehungen zu Solarforschungseinrichtungen wie dem Fraunhofer ISE, dem ISFH und dem ECN. Forschungsschwerpunkte bilden dabei die Entwicklung von Plasmaätztechnologien für Textur und PSG-Entfernung und neue Beschichtungsverfahren. Abbildung 2 Die neue Generation Plasmaprozesssysteme für neue, kombinier - bare Prozesse (Plasma - ätzen + Beschichten) Insbesondere die plasmachemische Entfernung von Phosphorsilikatglas (PSG) eröffnet die Möglichkeit der Entwick lung integrierter Equipment-Lösungen, in denen aufeinander folgende Prozesse in einer Anlage miteinander kombiniert werden können. Die steigende Nachfrage nach Beschichtungs - technik erfordert auch bei Roth & Rau weitere Investitionen. Durch den Bau eines neuen Stand ortes für den Geschäftsbereich Photo - voltaik in Hohenstein-Ernstthal steht ab November 2007 eine deutlich höhere Produktionskapazität zur Verfügung. Mit einer Produktionsfläche von ca qm, einem ca. 300 qm großen Technikum für Forschung & Entwicklung und qm Bürofläche einschließlich Schulungsräumen für Kunden und einer Kindertagesstätte sollte Roth & Rau den Herausforderungen der kommenden Jahre gewachsen sein. Die Gesamtinvestition des Bauvorhabens beläuft sich auf knapp 9 Mio. Euro. Abbildung 3 Der neue PV-Standort von Roth & Rau in Hohenstein-Ernstthal (Sachsen) 129

24 FVS BSW-Solar Ulrich Dewald Innovationssystem Photovoltaik in Deutschland Innovationssystem Photovoltaik in Deutschland Ulrich Dewald RWTH Aachen geo.rwth-aachen.de 1. Einleitung Ausgehend von einer kurzen Darstellung des Innovationssystem-Ansatzes und dessen Anwendung auf die PV-Branche in Deutschland erläutert der Beitrag, wie verschiedene Entwick - lungsphasen des PV-Produktionssystems in Deutschland erklärbar sind. Dies wird konkretisiert, indem gezeigt wird, dass das Wachstum der Photovoltaik-Industrie räumlich selektiv verläuft. im bestehenden Wirtschaftssystem erklärt werden kann. Dies zeigt das in Tabelle 1 skizzierte Zusammenwirken von Politik, Industrie und Forschung und das Herausbildung von Organisationen und Institutionen. Dabei konstituierte sich ein Innovationssystem aus: politischen Institutionen, die auf bestimmte Technologien ausgerichtet sind produzierende Unternehmen breite Ausbildungs- und Forschungs - landschaft. 2. Innovationssystem-Ansatz In den Wirtschafts- und Raumwissenschaften existieren Ansätze, mit denen die Herausbildung neuer Technologien und deren Durchsetzung Dabei bildeten sich nationale Innovations syste me heraus, die sich von Staat zu Staat in vielfältiger Weise unterscheiden [2]. Allein ein Vergleich zwi schen der deutschen und japanischen PV- Un ternehmenslandschaft macht die Unter schie - de deutlich: So produzieren in Japan horizontal Abbildung 1 Die Photovoltaik - branche in Deutschland als Innovationssystem 130

25 Ulrich Dewald Innovationssystem Photovoltaik in Deutschland FVS BSW-Solar und vertikal integrierte Groß konzerne der Elektro industrie wie Sharp, Kyocera oder Sanyo, während die PV-Pro duktion in Deutschland stärker mittel stän disch geprägt ist. Ähnliche wesentliche strukturelle Unterschiede ließen sich auch für das Forschungssystem oder das politische Umfeld darstellen. In Abbildung 1 wird die Struk tur des heutigen Innovationssystems für den Photovoltaik-Sektor in Deutschland aufgezeigt. Der gegenwärtige Ausbau der Photovoltaik - industrie wird zunehmend verstärkt durch den Einstieg von Anlagenherstellern und Maschinen - bauern, die sich strategisch auf die PV-Branche ausrichten. Grundlagen dafür sind: langjährige Engagements politischer Initiati - ven zur Förderung erneuerbarer Energien für die Durchsetzung gesetzlicher Förderungen (Stromeinspeisegesetz, EEG) und Markt - anreiz programmen ( Dächer- Programm) Herausbildung einer vielfältigen Unterneh - mensstruktur, die sich sowohl aus reinen PV-Konzernen als auch aus Unternehmen der Elektro-, Glas- oder Bauindustrie zusammensetzt eine gewachsene und heterogene Forschungslandschaft, die traditionell eng mit der Industrie verzahnt ist [1] 3. Phasen der industriellen Entwicklung Um die Entwicklung bis zum heutigen Zeitpunkt verstehen zu können, müssen die konstituie ren - den Bestandteile des Innovationssystems ein - gehender untersucht werden. Dies wird in Abbildung 2 für den Bereich des Produktions - systems für die verschiedenen PV-Wertschöp - fungs stufen vorgenommen. Die unterschiedlichen Phasen sind jeweils durch verschiedene Unternehmenstypen geprägt: In der Pionier- und Stagnationsphase waren Großkonzerne wie AEG-Telefunken, Wacker oder Siemens in Forschung und Entwicklung und Produktion aktiv, die sich jedoch auf - grund fehlender Marktperspektiven in den 80er Jahren und zu Beginn der 90er Jahre vom Produktionsstandort Deutschland (ASE, Siemens) oder gänzlich (Wacker-Heliotronic) aus ihren PV-Aktivitäten zurückzogen. Die gegenwärtige Phase ist durch den Eintritt reiner PV-Konzerne wie Solarworld, Q-Cells oder Ersol gekennzeichnet. In naher Zukunft kann wieder verstärkt der Eintritt von Großunternehmen in den PV- Markt erwartet werden, die Anknüpfungs - punkte sehen. Ein Beispiel ist die Ankündi - gung eines Gemeinschaftsunternehmens von E.On und der Schüco AG (Gebäude - integration, Bauwirtschaft), die eine Pro - duktion für Dünnschichtsolarmodule unter dem Namen Malibu angekündigt haben. Der Grund für das Auftreten bestimmter Unternehmenstypen in den verschiedenen Phasen, ist in den jeweils unterschiedlichen Marktbedingungen und dem technologischen Fortschritt (Verfügbarkeit ausgereifter Produk - tionstechnologie) zu sehen. Es ist festzuhalten, dass erst die Durchsetzung kontinuierlicher politischer Fördermaßnahmen zur Herausbildung eines ausreichenden Marktes für PV-Module und damit zu einem umfassen - den Ausbau der Fertigungskapazitäten auf allen Wertschöpfungsstufen der Photovoltaik-Pro - duktion geführt hat einschließlich des jüngst verstärkten Aufbaus von Silizium-Kapazitäten. In der derzeitigen Phase hat sich ein ausdifferen - ziertes Innovationssystem etabliert, das Deutschland auch als Produktionsstandort für ausländische Solarunternehmen attraktiv macht. Gründe für den Markteinstieg vieler Firmen liegen neben den Investitionszuschüssen in Ostdeutschland in der Verfügbarkeit gut aus - gebildeter, günstiger Arbeitskräfte, in der Existenz eines stabilen Marktes und der Möglichkeit, das deutsche Forschungs-Knowhow zu nutzen. Die Heterogenität der deutschen PV-For schungslandschaft führt zu einer relativ großen Breite der zum Einsatz kommenden Technologien. Dadurch können die Kostensenkungspotenziale und Anwendungsmöglichkeiten aller Techno - 131

26 FVS BSW-Solar Ulrich Dewald Innovationssystem Photovoltaik in Deutschland Tabelle 1 Politische Rahmenbedingungen, Industrie und Forschung Phase Phase I bis 1985: Pionierphase Politische Rahmenbedingungen Ölschock als Wendemarke, ab 1974 Beginn staatlicher Forschungsförderung Unternehmens - entwicklung Pionierunternehmen, zumeist Großkonzerne wie AEG (1958), Siemens (Mitte 60er), Nukem (1979 RWE-Tochter), MBB (1980) mit Solarsparte Forschung/Technologie Konzentration der For schung bei Großindustrie, vereinzelte Grundlagen forschung in universitären Forschungs - gruppen Phase II : Industrielle Stagnation Phase III : Industrielles Wachstum Phase IV ab 2006: Internationalisie - rung und Technologie - konkurrenz Erstes Marktförder pro gramm 1990: 1000-Dächer- Pro gramm, erste Demonstrationsprojekte, Durchsetzung der kostendeckenden Vergütung bei Stadtwerken 1999: Dächer- Programm 2000/2003: EEG und Novellierung stagnierende Forschungs - förderung Expansion des EEGs in weitere Staaten, weltweite Auflage von Förderprogrammen Konsolidierung, Produkti ons - verlagerung (Siemens, ASE) ins Ausland, Einstieg von Bayer in die Wafer-Technologie Ende 90er: Industrielles Wachstum durch Investitio nen der verbliebenen Her steller und Neugründungen (Ersol, Q-Cells, Sunways, Solar World) als reine PV-Unternehmen. Rückzug der Mischkonzerne, Verlagerung zu konzernun ab - hängigen Herstellern Expansion von Unterneh men im Ausland: Solarworld investiert in 500 MW- Produktion USA Deutschland als Produk ti ons - standort ausländischer PV- Unternehmen: Produktionsstart EverQ (2006), First Solar (2007) Zahlreiche Unternehmens - gründungen in verschie de nen Dünnschicht techno logien Gründung außeruniversi tä rer Forschungsinstitute ZSW (1988), ISFH (1987), ISET (1988), diese übernehmen zunehmend Material- und Prozessentwicklung von Unternehmen Ausbau vorhandener Forschungsinstitute Verstärkte Forschung in Prozesstechnologien Bedeutungsgewinn der Anlagenhersteller in Entwicklung standardisierter Produktionstechnologien Neugründung öffentlicher und privater Forschungs - institute (CSP Halle, Kompe - tenz zentrum Dünnschichtund Nanotechnologie für Photo voltaik Berlin, PI Berlin, FESTpv Aachen/Heerlen) Verstärkter Aufbau von Forschungsabteilungen in Unternehmen Quelle: Räuber 2005, Jacobsson et al. 2004, verändert 132 logien genutzt und einseitige Abhängigkeiten vermieden werden. Außerdem wird die Gefahr von Materialengpässen (Silizium) gemindert. Viele Unternehmen verbreitern zum Beispiel ihre technologische Basis, in dem sie zusätzlich zu den vorhandenen waferbasierten Fertigung in verschiedene PV-Dünnschichttechnologien investieren, das wird in Abbildung 2 verdeutlicht. Die derzeitige Wachstumsdynamik wird maß - geblich befördert durch die Einbeziehung der Hersteller von Anlagen und Equipment für die PV-Produktion. Derzeit kann eine strategische Ausrichtung vieler Anlagenhersteller auf den PV- Bereich beobachtet werden. Durch das Angebot von turn-key -Anlagen wird Massenproduktion und Standardisierung in der PV-Produktion breit eingeführt. Damit werden Equipmenthersteller zum Motor der weiteren Branchenentwicklung und der Internationalisierung. 4. Räumliche Effekte Aus wirtschaftsräumlicher Sicht ist zu hinter - fra gen, warum bestimmte Regionen am der - zeiti gen Wachstum besonders gut partizipieren können. Abbildung 3 stellt die derzeitige Standort vertei - lung der PV-Industrie, der Anlagenhersteller im PV-Bereich und der Forschungseinrichtungen im FVS dar. Dabei wird deutlich, dass sich beson - ders in den neuen Bundesländern Zentren der PV-Industrie herausgebildet haben, in denen mit dem derzeit stattfindenden Aufbau von Kapazi - tä ten zur Herstellung von Solarsilizium alle Stufen der PV-Wertschöpfungskette angesiedelt sind. Dabei fällt eine Konzentration auf Stand - orte mit industrieller Vergangenheit auf:

27 Ulrich Dewald Innovationssystem Photovoltaik in Deutschland FVS BSW-Solar Abbildung 2 Zeittafel Photovoltaikindustrie Deutschland 133

28 FVS BSW-Solar Ulrich Dewald Innovationssystem Photovoltaik in Deutschland 134 Abbildung 3: Standorte von PV-Produktionen und PV-Anlagenherstellern in Deutschland